韓城礦區(qū)煤層氣利用改進構(gòu)想及實踐路徑

文/韓 雨 王國龍 韓 冬

煤層氣俗稱“煤礦瓦斯”，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬于非常規(guī)天然氣。根據(jù)氣候變遷跨國委員會研究報告，其增溫潛力值是CO2的21倍。大量的煤層氣排入大氣，會增強地球表面的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球變暖，破壞地球的生態(tài)環(huán)境。煤層氣燃燒熱值與天然氣相當(dāng)，而且潔凈，對其進行充分燃燒，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣。利用煤層氣供熱是充分利用此類清潔能源、減少環(huán)境污染的有效途徑之一。

韓城礦區(qū)煤炭資源豐富，據(jù)詳查，埋藏深度小于800m的煤炭預(yù)測儲量為76.0×108t。20世紀(jì)90年代開始進行煤層氣的勘探開發(fā)試驗，試采資料顯示該區(qū)煤層氣資源豐富，具有較大的開發(fā)潛力。

一、煤層氣開發(fā)利用技術(shù)現(xiàn)狀

煤礦瓦斯目前在技術(shù)層面可基本實現(xiàn)全濃度瓦斯銷毀利用，達(dá)到節(jié)能減排、減碳去碳的目標(biāo)。煤礦瓦斯綜合利用有多種技術(shù)途徑，主要分為壓縮提純、發(fā)電利用、超低濃度直燃及乏風(fēng)氧化利用等，可根據(jù)抽采瓦斯的濃度不同選擇利用不同技術(shù)。瓦斯?jié)舛雀哂?0%的，一般通過地面煤層氣井抽采利用方式生產(chǎn)CNG、LNG；濃度為30%～90%的，通過低溫精餾、變壓吸附、膜分離等技術(shù)，提純生產(chǎn)LNG、CNG，該濃度范圍內(nèi)的瓦斯也可用于高濃度瓦斯發(fā)電；濃度為8%～30%的，主要用于低濃度瓦斯發(fā)電，是目前國內(nèi)瓦斯利用較為普遍的方式；濃度為8%以下的，經(jīng)瓦斯直燃或蓄熱氧化產(chǎn)生熱能后，用于發(fā)電、礦區(qū)供熱、供冷、煤泥烘干等，國內(nèi)已有部分礦井開展了規(guī)?；?。

二、韓城礦區(qū)煤層氣賦存及開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.韓城礦區(qū)煤層氣賦存情況

目前，韓城礦區(qū)共有4座已投產(chǎn)的高瓦斯礦井（象山煤礦、下峪口煤礦、桑樹坪煤礦、桑樹坪二號井），1座在建礦井（王峰煤礦）。主要開采2號、3號、5號、11號煤層，見表1，開采煤層共計瓦斯儲量9.4×109m3。

表1 韓城礦區(qū)各煤層煤層氣賦存情況

2.韓城礦區(qū)煤層氣利用現(xiàn)狀

韓城礦區(qū)目前共有5座低濃度瓦斯發(fā)電廠，總裝機35臺，總裝機容量為23.4MW，年發(fā)電能力為1.39×1012kW。韓城礦區(qū)各礦年產(chǎn)瓦斯純量為7.44×107Nm3，年發(fā)電利用瓦斯純量為3.73×107Nm3，利用效率為50%，剩余未利用部分瓦斯均為濃度低于8%的超低濃度瓦斯以及礦井風(fēng)排瓦斯。經(jīng)調(diào)研了解，韓城礦區(qū)對濃度低于8%的瓦斯未完全實現(xiàn)有效利用，具有全濃度瓦斯利用提升空間。

三、韓城礦區(qū)煤層氣綜合利用效率提升的設(shè)想

根據(jù)韓城礦區(qū)目前瓦斯利用現(xiàn)狀，提出瓦斯綜合利用效率提升設(shè)想。目前，針對8%以下的濃度瓦斯利用主要有瓦斯直燃技術(shù)和蓄熱氧化技術(shù)兩套技術(shù)工藝。其中，瓦斯直燃技術(shù)處于成果轉(zhuǎn)化階段，且在市場上已有部分應(yīng)用案例。但是，該技術(shù)一般要求瓦斯?jié)舛仍?%～10%之間，處于瓦斯爆炸區(qū)間范圍，且最小瓦斯?jié)舛炔荒艿陀?%，該技術(shù)未達(dá)到全濃度瓦斯利用的目的，瓦斯直燃的安全穩(wěn)定性也是需要重點研究解決的問題。

相比較之下，蓄熱氧化技術(shù)可實現(xiàn)最低處理甲烷濃度為0.2%。對于甲烷濃度小于8%的超低濃度瓦斯，目前已開發(fā)并實現(xiàn)成熟工業(yè)化運行的技術(shù)只有蓄熱氧化技術(shù)。超低濃度瓦斯蓄熱氧化技術(shù)對處理瓦斯?jié)舛纫蟮?，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、甲烷摧毀率高、能量回收率高且針對波動范圍大的瓦斯抽放場所適應(yīng)性強，是處理煤礦低濃度瓦斯的最優(yōu)選擇。因此，韓城礦區(qū)可利用蓄熱氧化技術(shù)對超低濃度瓦斯進行處理。

四、韓城礦區(qū)煤層氣綜合利用效率提升的實踐路徑

為充分利用煤礦超低濃度瓦斯及風(fēng)排瓦斯，降低環(huán)境污染，減少資源浪費，結(jié)合國內(nèi)諸多應(yīng)用實例，建議韓城礦區(qū)采用第三代蓄熱式氧化燃燒技術(shù)用于解決部分瓦斯資源浪費以及環(huán)境治理問題。具體工藝技術(shù)及不同蓄熱式氧化焚燒爐（RTO）對比分析如下。

1.采用瓦斯摻混技術(shù)工藝

通過連接架設(shè)瓦斯輸氣管道，將地面瓦斯抽采泵站抽采的低濃度瓦斯與風(fēng)排瓦斯或空氣進行摻混，使瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.1%～1.3%（設(shè)計最高濃度為1.3%），通過引風(fēng)機導(dǎo)入蓄熱式氧化燃燒裝置（RTO）。

2.利用蓄熱式氧化燃燒技術(shù)

RTO設(shè)備技術(shù)工藝主要是將摻混濃度達(dá)到1.1%～1.3%的超低濃度瓦斯輸送至氧化燃燒室，通過加熱至800℃～950℃高溫，進行無火焰燃燒，產(chǎn)生并釋放出大量氧化熱。隨后經(jīng)過余熱回收站換熱，制取滿足下游客戶需求的高溫?zé)崴?，用以實現(xiàn)供暖、洗浴等。該項較低濃度瓦斯發(fā)電利用工藝的優(yōu)點為制熱過程中無氮氧化物產(chǎn)生，屬于節(jié)能環(huán)保型技術(shù)工藝。

3.國內(nèi)外RTO設(shè)備性能對比分析

目前國內(nèi)建成的RTO項目主要采用美國MEGTEC、德國DUUR、德國EISENMENN技術(shù)，設(shè)備成本高，后期維護成本高。相較之下，我國自主研發(fā)的西安昱昌第三代旋轉(zhuǎn)式RTO具有凈化效率高、占地面積小、熱值轉(zhuǎn)換充分（熱效率最高可達(dá)97%）、運行成本低等特點，更符合韓城礦區(qū)超低濃度瓦斯綜合利用需求。此技術(shù)的應(yīng)用可將韓城礦區(qū)瓦斯利用效率提升至80%以上，為實現(xiàn)瓦斯最終近零排放目標(biāo)提供技術(shù)支撐。不同型式RTO性能對比見表2。

表2 不同型式RTO性能對比詳表

五、結(jié)論

韓城礦區(qū)煤層氣資源豐富，礦井抽采系統(tǒng)濃度穩(wěn)定。礦區(qū)可在現(xiàn)有低濃度瓦斯發(fā)電利用技術(shù)基礎(chǔ)上，新增第三代RTO技術(shù)，用于實現(xiàn)礦區(qū)瓦斯綜合治理梯級利用目標(biāo)。該技術(shù)可將煤礦抽采各濃度區(qū)間的瓦斯進行綜合利用，提供“熱、電、冷”的全新服務(wù)，在消除礦井瓦斯災(zāi)害治理的同時，為礦井提供優(yōu)質(zhì)熱（冷）源和清潔電力，降低用電及供熱成本支出，緩解礦井瓦斯災(zāi)害和環(huán)境治理的同時，實現(xiàn)煤礦資源的充分利用。